钻井泥浆净化系统中水力旋流器的研究与应用

摘要

针对石油钻井系统中泥浆净化第二级分离设备水力旋流器（除砂器和除泥器）分离效率不高、易磨损等问题，本文在分析水力旋流器基本理论的基础上结合先进的计算流体力学技术对水力旋流器的工作过程进行三维的仿真，对三维流场进行分析，计算得到分离效率及水力旋流器器壁磨损量情况，改进水力旋流器的结构，提高水力旋流器内部流场稳定性，提高分离效率并减少壁面磨损。
　　水力旋流器的分离效率受结构因素影响，本文为优化水力旋流器的结构，选定直径为100mm的除泥器为研究对象，对水力旋流器的进口形状（普通切线型入口、渐扩式入口、带导流板入口、对称入口和阿基米德螺旋线入口）、溢流管插入深度、溢流管壁厚、圆柱段长度和圆锥段的角度5个结构因素进行考虑，每个因素确定5个水平值，采用正交试验方法对上述5因素5水平的问题进行数值模拟试验，通过25次计算后，计算得出每种结构组合的分离效率，通过正交分析可得出各个因素中对分离效率影响最大的因素及分离效率最高的结构组合。水力旋流器的磨损主要是固体颗粒对壁面的冲蚀所造成的，利用Fluent中的离散相模型和磨损模型对水力旋流器工作过程中的磨损位置及磨损量进行预测。
　　结果表明:各结构因素对水力旋流分离器分离效率的影响不是呈单一的递增或递减的关系;对分离效率的影响主次因素为入口形状、圆锥段锥角、圆柱段长度、溢流管插入深度、溢流管壁厚;分离效率最优的组合为阿基米德螺旋线入口，溢流管壁厚为18mm，溢流管插入深度为130mm，圆柱段长度为150mm，锥角为10°的水力旋流器;阿基米德螺旋线入口水力旋流器内部流场更为稳定，强制涡流较小，入口处湍动能小，而且还对进入旋流器的混合液体有导流加速作用，能有效的提高旋流分离器的分离效率;水力旋流器磨损区域主要集中圆锥段，磨损最大的位置也在圆锥段，阿基米德螺旋线入口水力旋流器与传统的切线型入口水力旋流器相比，整体的磨损量小很多，而且在圆锥段的磨损也更为均匀，阿基米德螺旋线入口能有效的减少水力旋流器的磨损。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 水力旋流器的结构及工作原理

1．3 水力旋流器的主要性能参数

1．3．1 分离效率

1．3．2 分离粒度

1．3．3 压力降及能量损失

1．4 水力旋流器的发展及研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 研究内容及研究方案

1．6 本章小结

第2章 水力旋流器基本理论

2．1 旋转流体基本理论

2．1．1 旋转流体的基本方程

2．1．2 自由涡

2．1．3 强制涡

2．1．4 组合涡

2．2 颗粒的受力

2．3 本章小结

第3章 水力旋流器三维流动模拟

3．1 引言

3．2 流体力学基本方程建立

3．2．1 水相控制方程

3．2．2 颗粒相控制方程

3．3 湍流模型

3．3．1 大涡模拟法

3．3．2 Reynolds平均法简介

3．4 多相流模型

3．5 水力旋流器数值模拟

3．5．1 物理模型的建立

3．5．2 模型网格划分

3．5．3 边界条件的确定

3．5．4 设定求解参数

3．6 本章小结

第4章 数值模拟结果及分析

4．1 压力场分析

4．2 速度场分析

4．2．1 切向速度

4．2．2 轴向速度

4．2．3 径向速度

4．3 湍流场分析

4．3．1 湍动能

4．3．2 湍流耗散率

4．4 正交试验

4．4．1 正交试验设计原理

4．4．2 正交试验设计

4．4．3 正交试验结果分析

4．5 优化模型验证

4．6 本章小结

第5章 水力旋流器固液分离磨损数值模拟及分析

5．1 水力旋流器的磨损

5．2 液固两相流中固体颗粒冲蚀磨损机理的研究

5．3 水力旋流器磨损数值模拟计算

5．3．1 磨损模型

5．3．2 磨损的数值模拟

5．4 计算结果分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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